Гайд по астрономии. Путешествие к границам безграничного космоса - Уоллер Уильям

Третий ключевой тип эмиссионной туманности — это остатки сверхновой, свидетельствующие о взрыве некогда массивной звезды (или белого карлика). Звезды, масса которых превышает 8 M⊙, не останавливаются на переплавке гелия в углерод. Они могут продолжить плавить углерод в кислород, кислород в кремний, а кремний в железо, однако, как только в ядре звезды «выковано» железо, игра окончена. Создать более тяжелые элементы не выйдет, не поглотив энергию самой звезды. Бездействующее ядро быстро сжимается, превращаясь в нейтронную звезду или черную дыру, высвобождается гравитационная энергия — и происходит сильный взрыв, который отшвыривает прочь все оставшиеся звездные оболочки. Как известно, в итоге возникают туманности, представляющие собой остатки сверхновых типа II. В первые несколько тысяч лет выбросы, нагретые действием ударной волны, светятся на всех длинах волн — даже в самой высокоэнергетической точке электромагнитного спектра, в экстремумах рентгеновского и гамма-излучения. Крабовидная туманность (М1) в созвездии Тельца — известнейший пример этой мощной ранней фазы. В дальнейшем ударные волны, устремленные наружу, накапливаются и вызывают возбуждение газов во внешней межзвездной среде. Туманность Вуаль в северном созвездии Лебедя и остаток сверхновой в южном созвездии Паруса — хорошо знакомые версии этой завершающей фазы.

Другой тип сверхновой может возникнуть, когда в тесной бинарной звездной системе присутствует белый карлик. В какой-то момент эволюции этой системы белый карлик начинает подпитываться веществом от близкого спутника до тех пор, пока его масса не превысит критическую, — а после этого происходит коллапс, и гравитационная энергия, обретшая свободу, расходится по всему белому карлику, разрывая его на куски. Такая сверхновая типа Ia производит остатки, богатые тяжелыми элементами, но совершенно лишенные водорода, поскольку водородные оболочки звезды давно рассеялись. Яркие примеры такого рода — остатки сверхновых Тихо и Кеплера.

За пределами диска и в гало астрономы обнаружили странные облака, состоящие из холодного нейтрального атомарного водорода и медленно плывущие по внешней окраине Галактики. Эти облака называются «высокоскоростными», но на самом деле движутся вокруг Галактики гораздо медленнее, чем диск, в котором находимся мы. Их скорость кажется высокой только в том случае, если смотреть на них с нашей вращающейся точки обзора. Сейчас нам известно примерно двадцать таких облаков — и около десяти облаков промежуточной скорости, которые, по-видимому, приближаются к диску (рис. 7.7).

Рис. 7.7. Радиоастрономы обнаружили, что в галактическом гало присутствуют огромные облака атомарного водорода. Одно из крупнейших — Магелланов Поток. Он простирается от Большого и Малого Магеллановых Облаков (галактик-спутников Млечного Пути) на весь квадрант южного неба. (Автор композитного снимка: Ingrid Kallick [Possible Designs, Мадисон, Висконсин], данные: Bart Wakker [Висконсинский университет в Мадисоне].)

Хотя астрономы не уверены в их происхождении, высокоскоростные облака, скорее всего, относятся к первозданным — судя по тому, насколько в них распространены элементы, — и, по всей вероятности, представляют собой остатки исходного процесса формирования Галактики. Заметное исключение — Магелланов Поток, охватывающий бо́льшую часть южного небесного полушария. Скорее всего, этот высокоскоростной «облачный комплекс» выделился из Большого и Малого Магеллановых Облаков во время сближения этих галактик с Млечным Путем. По изобилию элементов в своем веществе Магелланов Поток, как и сами Магеллановы Облака, занимает промежуточное положение. Возможно, что облака промежуточной скорости, в отличие от большинства высокоскоростных облаков, могут представлять собой материю, прошедшую более сложную химическую эволюцию и некогда бывшую частью диска. Когда-то в прошлом — когда именно, нам неизвестно, — интенсивный всплеск звездообразующей активности в диске привел к выбросу этого вещества в гало. Теперь газ возвращается в диск в виде огромного галактического «фонтана».

Темное сердце Галактики

До развития радиоинтерферометрии в 1960-х и 1970-х годах о центре нашей Галактики было известно очень мало: его затемняют пылевые молекулярные облака, заполонившие диск вдоль нашего луча зрения. И более того, из примерно триллиона фотонов, исходящих из ядра Галактики, эту газопылевую полосу препятствий преодолевает, попадая на наши телескопы, только один видимый фотон. Однако радиоизлучение работает на гораздо более длинных волнах и поэтому может беспрепятственно проходить сквозь пылевые облака диска. Объединив несколько радиотелескопов в антенны, которые охватывают большие площади, астрономы смогли достичь углового разрешения, достаточного для составления подробных карт центра Галактики, — и обнаружили комплекс характерных черт газообразных объектов, которые больше в Млечном Пути не проявляются нигде.

Волнение начинается с углового масштаба примерно в 2′ — под таким углом с Земли видны крупнейшие лунные кратеры. При расчетном расстоянии в 27 000 световых лет эта угловая протяженность переводится в линейный размер, равный примерно 15 световым годам. Три рукава ионизированного газа, расположенные внутри фрагментированного кольца плотного молекулярного газа, образуют спиральный «круговорот», центр которого находится в ядре Галактики (рис. 7.8). Инфракрасное картографирование эмиссионной линии водорода, присутствующего в этих рукавах, выявило движения, совместимые с представлением о том, что газ одновременно стремится к ядру и вращается вокруг него. Само ядро испускает свет в форме синхротронного излучения — близкого к тому, которое производят наши мощнейшие ускорители заряженных частиц, — и электроны мчатся вокруг силовых линий магнитного поля со скоростью, близкой к скорости света. Все более эффективные комплексы радиотелескопов показывают, что размер излучающего ядра не превышает 1/10000 светового года — это протяженность пояса астероидов нашей Солнечной системы. Итак, перед нами удивительно компактная «машина», способная разгонять субатомные частицы до релятивистских скоростей (скоростей, близких к скорости света) и таким образом создавать мощное синхротронное излучение.

Инфракрасное наблюдение в масштабе 1/10 светового года позволило астрономам отслеживать отдельные звезды, идущие по орбитам вокруг неразрешенного галактического ядра. Нечто, расположенное в пределах этих орбит, заставляет звезды вращаться вокруг общего центра масс с периодами всего в несколько земных лет. Используя простое ньютоновское тяготение, астрономы подсчитали, что таинственный посредник, обладающий притяжением, имеет массу, эквивалентную примерно 4 млн масс Солнца, — и вся она сосредоточена в пределах периметра, не превышающего протяженность орбиты Плутона. Большинство астрономов уверены, что мы наблюдаем динамическое воздействие сверхмассивной черной дыры, скрытой в центре нашей Галактики. В числе других наблюдаемых эффектов можно упомянуть о странно изменчивом излучении, исходящем из области ядра в рентгеновском и гамма-диапазоне. Хотя ядро у нашей Галактики явно тусклое, если сравнить его активность с той, какую проявляют ядра некоторых других гигантских галактик, все же имеются все признаки того, что некогда оно было очень активным. И в недалеком будущем это может преподнести нам немало сюрпризов.

Рис. 7.8. Радиотелескопический снимок области ядра нашей Галактики. Миниспираль теплого ионизированного газа — Стрелец А — имеет размеры около 15 световых лет. Само ядро — Стрелец А* — является нетепловым источником синхротронного излучения, порожденного движением электронов с релятивистскими скоростями в присутствии сильных магнитных полей. В этой области почти не удалось выделить отдельные звезды, но она не может оказаться больше внутренней части Солнечной системы. (Материалы любезно предоставлены: F. Yusef-Zadeh, D. A. Roberts and W. M. Goss. Источник: Национальная радиоастрономическая обсерватория [Associated Universities Inc.], Национальный научный фонд.)